2C/1L Optoelectronică, structuri, tehnologii, circuite, OSTC Minim 7 prezente curs + laborator Curs - sl. Radu Damian Joi 15-18, P5 E 70% din nota

Transcript

1 Curs /2017

2 2C/1L Optoelectronică, structuri, tehnologii, circuite, OSTC Minim 7 prezente curs + laborator Curs - sl. Radu Damian Joi 15-18, P5 E 70% din nota 20% test la curs, saptamana 4-5? probleme + (?1 subiect teorie) + (2p prez. Curs) 2prez=0.5p toate materialele permise Laborator sl. Daniel Matasaru Joi 8-14 par L 15% din nota C 15% din nota

3 Curs 6

4 Bilantul puterilor A P db db tot A i i e dbm A db S dbm MdB tot r

5 efecte succesive se adună liniar 1 2 tot 1 2 dar pe fiecare fibra exista efecte simultane (pentru dispersie) care se adună pătratic mod, 1, cr,1 mod, 2, cr, cr,1 mod, cr,2 mod,2

6 Atenuare in fibra Atenuare datorata conectorilor Atenuare datorata splice-urilor Atenuare datorata diferentelor de apertura numerica apare numai la trecerea de la un dispozitiv cu NA mai mare la un dispozitiv cu NA mai mic neglijabil intre 2 fibre monomod sudate Atenuare datorata diferentelor de diametru apare numai la trecerea de la un dispozitiv cu diametru mai mare la un dispozitiv cu diametru mai mic bidirectional la fibre monomod sudate

7 db = 10 log 10 (P 2 / P 1 ) dbm = 10 log 10 (P / 1 mw) 0 db = db = (+2.3%) + 3 db = db = db = 10-3 db = db = db = db = dbm = 1 mw 3 dbm = 2 mw 5 dbm = 3 mw 10 dbm = 10 mw 20 dbm = 100 mw -3 dbm = 0.5 mw -10 dbm = 100 W -30 dbm = 1 W -60 dbm = 1 nw [dbm] + [db] = [dbm] [dbm/hz] + [db] = [dbm/hz] [x] + [db] = [x]

8 Pierderi Pierderi db Pierderi P P out in out 10log 10 Pin db P dbm P dbm out P in Atenuare db/km Pierderi[dB] lungime[km]

9 Dioda electroluminescenta Capitolul 7

10 Caracteristica putere optica emisa functie de curentul direct prin LED este liniara la nivele mici ale curentului. Nu exista curent de prag La nivele foarte mari puterea optica se satureaza Responzivitatea r P I o W A Tipic r=50μw/ma

11 Cea mai simpla schema de control: un rezistor in serie cu LED Atentie! Tensiunea directa poate varia semnificativ (>>0.7V) si trebuie preluata din catalog mai ales la intensitate luminoasa mare datorita materialelor diferite de realizare a LED-urilor dependenta de lungimea de unda mai mica la lungimi de unda mai mari cd/mcd Iv f I F [ma] I F V cc V R F

12

13 Variatii mici ale tensiunii (mai ales in jurul tensiunii de deschidere) pot duce la variatii mari ale curentului Se prefera de multe ori controlul in curent al LED-ului

14 Control in tensiune Schema electrică a emiţătorului în impuls

15 Control in curent Schema electrică a emiţătorului optic analogic

16

17 Capitolul 8

18 Avantaje Putere optica ridicata (50mW functionare continua, 4W functionare in impulsuri) Precizie ridicata a controlului (impulsuri cu latimea de ordinul fs - femptosecunde) viteza mare de lucru Spectru ingust, teoretic LASER ofera o singura linie spectrala Lumina coerenta si directiva (~80% poate fi cuplata in fibra) Dezavantaje Cost (dispozitiv si circuit de comanda: controlul puterii si al temperaturii) Durata de viata Senzitivitate crescuta cu temperatura Modulatie analogica dificila (de obicei cu dispozitive externe) Lungime de unda fixa

19 LASER = Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation = Amplificarea Luminii prin Emisie Stimulata Un foton incident poate cauza prin absorbtie tranzitia unui electron pe un nivel energetic superior

20 Emisia spontana electronul trece in starea energetica de echilibru emitand un foton Trecerea se realizeaza prin recombinarea unei perechi electron-gol Directia si faza radiatiei emise sunt aleatoare

21 Emisia stimulata un foton incident cu energie corespunzatoare poate stimula emisia unui al doilea foton fara a fi absorbit Noul foton are aceeasi directie si faza cu fotonul incident, Lumina rezultata e coerenta

22 Recombinarea unei perechi electron-gol necesita conservarea impulsului In Si si Ge aceasta conditie presupune aparitia unui foton intermediar (tranzitie indirecta) a carui energie se transforma in caldura Se utilizeaza aliaje de Ga Al As sau In Ga As P Spatierea atomilor in diferitele straturi trebuie sa fie egala (toleranta 0.1%) pentru a nu se introduce defecte mecanice la jonctiune limitare a aliajelor utilizabile aparitia defectelor creste ineficienta (recombinari neradiative) scade durata de viata a dispozitivului

23 E g h ; hc E g ; μm E ev g h constanta lui Plank Ws 2 c viteza luminii in vid m/s e sarcina electronului C benzi energetice: λ 0, Δλ

24

25 Lungimi de unda mici (spectru vizibil 1000nm) GaP (665nm), GaAs y P 1-y GaAs (900nm), Ga 1-x Al x As (AlAs 550nm) Lungimi de unda mari ( nm) In x Ga 1-x As y P 1-y x,y concentratii relative in aliaj a materialelor corespunzatoare x,y alese din considerente privind lungimea de unda spatierea atomilor

26 Lungimi de unda mici Ga 1-x Al x As substrat GaAs limitare pentru tranzitie directa, x<0.45 E g (in ev) E g x, x x x, x E g

27 Lungimi de unda mari In x Ga 1-x As y P 1-y Tipic substratul este InP Spatierea atomilor (lattice spacing) corespunzatoare InP y x y E g (in ev) y 0.12 y E g Exemplu: 1300nm se obtine cu y=0.611 si x=0.282, In Ga As P 0.389

28 Inversiune de populatie necesara deoarece electronii au capabilitatea de a absorbi energie la aceeasi frecventa la care are loc emisia stimulata se defineste probabilistic: probabilitatea de emisie stimulata sa fie mai mare decat probabilitatea de absorbtie n c p e n v p a Materialele capabile sa genereze inversiune de populatie au starea excitata metastabila

29 La un material cu 4 nivele energetice tranzitia radianta a electronului (3) se termina intr-o stare instabila, starea de echilibru obtinanduse prin emisia unui fonon Inversiunea de populatie se obtine mult mai usor datorita electronilor din starea intermediara

30 Pentru ca emisia stimulata sa apara, fotonii emisi trebuie sa ramana in contact cu materialul o perioada mai mare de timp 2 oglinzi necesare Pentru a permite extragerea radiatiei e necesar ca una din oglinzi sa fie partial reflectanta

31 Pentru diodele laser utilizate in comunicatii reflectivitatea oglinzilor nu trebuie sa fie foarte mare Interfata semiconductor aer ofera un coeficient de reflexie de ~6% dar poate ajunge la 36% pentru lungimea de unda de operare (vezi lamela dielectrica)

32 Pentru a realiza coerenta radiatiei interferenta constructiva intre radiatiile incidente si reflectate de oglinzi, distanta intre oglinzi trebuie sa fie un multiplu a jumatate din lungimea de unda 1 k 2 n 0 L L c0 k 2n f Pentru eficientizarea pomparii de energie din exterior L= μm, k 400 f c0 k 2n L

33 Definirea directiilor in dioda LASER

34 f k k c0 2n L f c0 2n L 2 0 2n L

35 Castigul diodei laser (eficacitatea aparitiei emisiei stimulate) depinde de caracteristicile energetice ale materialului din care e realizata dioda de energia pompata din exterior (curentul prin dioda)

36 Filtre spatiale in regiunea activa

37 Pentru operarea in impulsuri, un salt de λ/4 ingusteaza suplimentar spectrul diodei laser

38 Se utilizeaza suprafete reflective selective pentru filtrare optica

39 Amorsarea emisiei stimulate necesita pomparea unei anumite cantitati de energie curent de prag I I th r P I o W A

40 Curentul de prag variaza cu temperatura si cu timpul Variatia tipica 1-2%/ C

41 Dependenta de temperatura a curentului de prag este exponentiala I th I 0 e T / T 0 I 0 e o constanta determinata la temperatura de referinta Material Lungime de unda T 0 InGaAsP 1300 nm K InGaAsP 1500 nm K GaAlAs 850 nm K

42

43

44 Gain guided 8 20 linii spectrale (5 8 nm) Index guided 1 5 linii spectrale (1 3 nm)

45

46 Sursa lambertiana Eficienta cuplarii in fibra Aproximatie Lambertiana pentru surse cu directivitate crescuta cos ) ( 0 P P m P P cos ) ( s s f r a NA P P NA m P P s f g g r a NA P P s s f

47 La alimentarea cu curent a diodei laser emisia este initial spontana, devenind stimulata dupa amorsarea acesteia emisia spontana este un fenomen intrinsec aleator Intarzierea este variabila - jitter

48 Frecventa de oscilatie depinde de indicele de refractie al materialului Indicele de refractie depinde de concentratia de purtatori Cand curentul este modulat in impuls apare o modulatie a frecventei luminii cu efectul cresterii latimii spectrale a diodei (un ordin de magnitudine)

49 oscilatii de relaxare x GHz

50 Generate de schimbul de energie intre electroni si fotoni Amorsarea emisiei stimulate duce la descresterea numarului de electroni in starea excitata, ceea ce duce la micsorarea emisiei de fotoni Acumularea din nou a electronilor in starea excitata duce din nou la cresterea puterii f 1 = 1 4 GHz

51 Cresterea vitezei si minimizarea erorilor date de oscilatiile de relaxare si variatiile timpului de amorsare dioda este partial stinsa in timpul transmisiei unui nivel 0 logic Raport de stingere PH 1 ER P H Raportul semnal zgomot scade cu (1-α) Tipic ER = 10 15dB

52 Pentru viteze mari se prefera utilizarea emisiei continue si modularea optica a radiatiei In LiNbO 3 viteza luminii depinde de campul electric, ceea ce permite introducerea unui defazaj egal π Creste complexitatea circuitului de control Tensiuni de 4 6 V necesare

53 Jonctiunea intre doua materiale conductoare diferite poate genera sau absorbi caldura in functie de sensul curentului Tipic se utilizeaza doua regiuni semiconductoare puternic dopate (tipic telurit de bismut) conectate electric in serie iar termic in paralel

54 Poate produce o diferenta maxima de temperatura de 70 C Lucreaza la nivele mici de caldura disipata Devine cu atat mai ineficient cu cat fluxul termic disipat e mai mare De 4 ori mai putin eficiente decat sistemele cu compresie de vapori

55

56 Control putere optica Control temperatura

57 Mode hopping salt de mod (hole burning) RIN Relative Intensity Noise (generat de emisia spontana) Zgomot de faza (idem) necesitatea modulatiei in amplitudine Zgomot intercavitati (reflexiile din exterior in zona activa) Drift variatia parametrilor cu varsta si temperatura (in special distanta intre oglinzi)

58 Heterojunctiune ingropata Heterojunctiune muchie (ridge)

59 Concentrare verticala a purtatorilor Electronii sunt atrasi din zona n in zona activa O bariera energetica existenta intre zona activa si zona n concentreaza electronii in zona activa Situatie similara corespunzatoare golurilor Purtatorii sunt concentrati in zona activa, crescand eficienta

60 Cand lumina e pastrata in cavitati mai mici decat lungimea de unda nu mai poate fi modelata prin unda, modelul devine cuantic Daca inaltimea zonei active scade la 5-20 nm comportarea diodei laser se schimba energia necesara pentru inversarea de populatie se reduce, deci curentul de prag scade dimensiunea redusa a zonei active duce la scaderea puterii maxime

61 multiple straturi subtiri suprapuse Multiple Quantum Well Avantaje curent de prag redus stabilitate crescuta a frecventei la functionarea in impuls latime mica a liniilor spectrale zgomot redus

62 RL dbm 5.0 db/div Canale: 16 Spaţiere: 0.8 nm Emisie spontană Amplificată (ASE) 1545 nm 1565 nm

63 Necesitate In sistemele WDM exista necesitatea (in propuneri pentru arhitecturi viitoare de retele) pentru reglaj foarte rapid al lungimii de unda pe un anume canal - zeci de ns In aceleasi sisteme intervine necesitatea rutarii prin lungime de unda - timp de reglaj necesar de ordinul secundelor) realizarea cererilor de date - timp de reglaj de ordinul sute de μs reglarea emitatorilor individuali in sistemele WDM lipsa necesitatii controlului strict la productia diodelor degradarea lungimii de unda in timp

64 Curentul trece prin zona activa ducand la amplificarea luminii curentul ce parcurge zona corespunzatoare reflectorului Bragg modifica indicele de refractie al acestei zone deci lungimea de unda zona centrala suplimentara permite reglaj fin suplimentar in jurul valorii impuse de reflectorul Bragg

65 Dezavantajul metodelor anterioare e dat de limita redusa a reglajului (~10nm) Reflectorul Bragg esantionat (periodic) produce spectru de filtrare discret Regland unul din reflectori se obtine rezonanta la suprapunerea celor doua spectre Dezavantaj : reglajul e discret

66

67 Oglinzile pot fi realizate din straturi succesive din semiconductori cu indici de refractie diferiti reflector Bragg Prelucrarea laterala se rezuma la taierea materialului Caracteristici puteri de ordinul 1mW lungimi de unda 850 si 980 nm radiatie de iesire circulara cu divergenta redusa Curenti de prag foarte mici (5mA) si putere disipata redusa circuite de control speciale nu sunt necesare Banda de modulatie mare (2.4GHz) Stabilitate mare cu temperatura si durata de viata

68 Caracteristici VCSEL produce mai multe moduri transversale insensibila la pierderile selective la mod din fibrele multimod (principala limitare in utilizarea diodelor laser in fibrele multimod)

69

70 Dependenta de temperatura a curentului de prag este exponentiala I th I 0 e T / T 0 I 0 e o constanta determinata la temperatura de referinta Material Lungime de unda T 0 InGaAsP 1300 nm K InGaAsP 1500 nm K GaAlAs 850 nm K

71 Curentul de prag variaza cu temperatura si cu timpul Variatia tipica 1-2%/ C

72 Puterea scade in timp exponential P t P 0 e t / m τ m timpul de viata Diodele laser sunt supuse la conditii extreme de lucru densitati de curent in zona activa A/cm 2 densitati de putere optica: W/cm 3 Diverse definitii ale timpului de viata fac comparatiile dificile

73 Cresterea curentului duce la scaderea duratei de viata n = (empiric) dublarea curentului duce la scaderea de 3-4 ori a duratei de viata Cresterea temperaturii duce la scaderea duratei de viata m ~ J n E kt m ~ e / E = eV (valoarea tipica in teste 0.7eV) cresterea temperaturii cu 10 grade injumatateste durata de viata

74 Coerenta radiatiei emise LED: t c 0.5ps, L c 15μm LASER : t c 0.5ns, L c 15cm L c c t c 0 Stabilitatea frecventei detectie necoerenta (modulatie in amplitudine) mai ales in sistemele multicanal Timpul de raspuns Viteza, interval de reglaj 2

75 Amorsarea emisiei stimulate necesita pomparea unei anumite cantitati de energie curent de prag I I r P I th I th P I o regim LED ineficient!, r regim LASER I W A o I th Apare saturare la nivele mari de curent P o 0

76 eficienta de conversie electro-optic (randament) P P in tipic, randamente sub 10% sunt intalnite eficienta cuantica interna externa out optic electric Po V I n n f e f f r I V f f I I f th P h I e e r h

77

78

79

80

81 Laboratorul de microunde si optoelectronica